Физики научились опреснять воду при помощи «решета» из графена
Нобелевский лауреат Андрей Гейм и ученые из Великобритании создали первый в мире фильтр для опреснения морской воды, используя специальное «решето» из графена, пропускающего молекулы воды, но не ионы натрия, хлора и другие компоненты солей, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
«Нам впервые удалось показать, что графен можно превратить в мембрану с порами фиксированных размеров. Кроме этого, мы продемонстрировали, что мы можем увеличить их до больших размеров и начать массовое производство подобных структур с порами нужных нам диаметров», — заявил Рауль Найр (Rahul Nair) из Манчестерского университета (Великобритания).
Проблема доступа к воде становится все более острой для Земли – по оценкам ООН, к 2025 году более 14% жителей планеты будут испытывать трудности с доступом к чистой питьевой воде. На сегодняшний день существует несколько десятков методов и технологий опреснения морской воды, часть из которых иногда применяется в промышленных масштабах в богатых арабских странах, страдающих от недостатка пресной воды.
Команда Гейма обратила внимание на одно простое свойство воды, которое известно химикам уже более ста лет – способность образовать слабые водородные связи с отрицательно и положительно заряженными ионами. Это «умение» воды объясняет то, почему она хорошо растворяет в себе большую часть солей, сахаров, кислот и других органических и неорганических соединений. Фактически, после растворения соли в воде каждый ее ион оказывается окружен своеобразной «шубой» из молекул воды.
Ионы в такой «шубе», как заметили Гейм и его коллеги, будут заметно больше по размерам, чем сами молекулы воды или нейтрально заряженные атомы. Благодаря этому их можно отсеять от воды, если создать сито, пропускающее молекулы воды, но не пропускающее более крупные ионы. Ионы будут задерживаться им из-за того, что те просто не «влезают» в них, не потеряв часть молекул воды, что невыгодно с энергетической точки зрения с точки зрения законов физики.
Британские ученые давно пытались приспособить для этих целей «нобелевский углерод», однако проблема заключалась в том, что пленки графена разбухают при попадании в воду и начинают пропускать не только воду, но и ионы магния, натрия и ряда других веществ. Гейм, Найр и их коллеги решили эту проблему, научившись склеивать одиночные полоски из графена таким образом, что они почти не разбухают при контакте с водой, при помощи обычного эпоксидного клея.
В таком виде подобные «графеновые решета» пропускают лишь 2% ионов магния, натрия, калия, лития и других элементов, что фактически превращает их в сверхэффективные опреснители воды, не требующие внешних источников энергии. Пока не понятно, как такие пленки будут реагировать на загрязнение. Физики планируют проверить в ближайшее время.
То, какие ионы и как много их пропускает подобное «сито», зависит от расстояния между пленками, что позволяет использовать их не только для опреснения воды, но и очистки различных образцов от ненужных ионов или молекул. Как надеются ученые, простота изготовления их мембран, их невысокая стоимость и высокая эффективность работы помогут им быстро проникнуть даже в самые бедные уголки Земли и тем самым помочь решить проблему с доступом к воде.